基于建構(gòu)主義理論的智能規(guī)劃課程教學(xué)研究

劉鴻福 張萬(wàn)鵬 陳璟

【摘要】智能規(guī)劃對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的智能科學(xué)與技術(shù)素養(yǎng)具有重要作用。以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，樹(shù)立以學(xué)生綜合能力與知識(shí)體系提升為核心的課程教學(xué)目標(biāo)，理論與實(shí)踐并重組織教學(xué)內(nèi)容，梳理了知識(shí)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。采取錨定式設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，含六個(gè)典型步驟，給出了教學(xué)示例。該課程對(duì)完善學(xué)生的智能科學(xué)與技術(shù)知識(shí)體系、形成智能規(guī)劃思維十分必要。

【關(guān)鍵詞】建構(gòu)主義 智能規(guī)劃 教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)環(huán)節(jié)

【中圖分類號(hào)】G640 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）04-0017-02

一、智能技術(shù)人才培養(yǎng)對(duì)智能規(guī)劃課程建設(shè)提出了迫切需求

智能規(guī)劃廣泛存在，比如路徑與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、感知規(guī)劃、導(dǎo)航規(guī)劃、制造過(guò)程規(guī)劃、通信規(guī)劃、碼頭裝卸規(guī)劃、物流運(yùn)輸規(guī)劃等。規(guī)劃是關(guān)于動(dòng)作的推理，通過(guò)動(dòng)作的期望效果，選擇和組織一組動(dòng)作序列，盡可能好地實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。在復(fù)雜、多變的任務(wù)中，需要智能規(guī)劃的方法和技術(shù)，盡快地提供行動(dòng)方案，滿足安全、時(shí)效等約束，優(yōu)化能耗、效率等目標(biāo)。智能規(guī)劃是機(jī)器智能的核心技術(shù)之一，該課程是智能系統(tǒng)、機(jī)器人、無(wú)人系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃技術(shù)等專業(yè)方向研究生的核心專業(yè)課，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的智能科學(xué)與技術(shù)素養(yǎng)具有重要作用。由于智能技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高校相關(guān)人才培養(yǎng)提出了新的需求，但智能技術(shù)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)研究都還比較薄弱。智能規(guī)劃的課程建設(shè)也是從無(wú)到有的，在課程建設(shè)之初，就從高起點(diǎn)開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，以符合教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)規(guī)律、有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和主動(dòng)性、有利于構(gòu)建整個(gè)智能技術(shù)知識(shí)體系的教育理念為指導(dǎo)。

二、以建構(gòu)主義作為課程教學(xué)的指導(dǎo)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論以建構(gòu)主義認(rèn)知心理學(xué)為指導(dǎo)，認(rèn)為知識(shí)是學(xué)生在某種情境下，通過(guò)與教師和學(xué)習(xí)伙伴協(xié)作，利用學(xué)習(xí)資源完成意義建構(gòu)，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，將“情境”“協(xié)作”“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”作為學(xué)習(xí)中的四大要素，教學(xué)設(shè)計(jì)要?jiǎng)?chuàng)設(shè)有利于學(xué)生意義建構(gòu)的情境，通過(guò)學(xué)習(xí)小組的相互協(xié)作、會(huì)話商討，深刻理解事物的性質(zhì)、規(guī)律，將當(dāng)前所學(xué)與已有知識(shí)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，在記憶中長(zhǎng)期存儲(chǔ)形成“圖式”。建構(gòu)主義經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展已經(jīng)成為主導(dǎo)教學(xué)的主要理論，特別是當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展為建構(gòu)主義所要求的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了強(qiáng)有力的支持[1，2]。

建構(gòu)主義十分符合智能規(guī)劃課程教學(xué)的需要與特點(diǎn)，在建構(gòu)主義理論的指導(dǎo)下，結(jié)合智能規(guī)劃的學(xué)科特點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)的、生動(dòng)的、新穎的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，在教學(xué)中突出學(xué)生為中心，教師是教學(xué)內(nèi)容的提供者與幫助者，教學(xué)過(guò)程的引導(dǎo)者與促進(jìn)者。智能規(guī)劃課程教學(xué)框架如圖1所示。以原有知識(shí)為基礎(chǔ)，掌握智能規(guī)劃的理論方法與實(shí)踐應(yīng)用，獲得成就感，思考建立了與知識(shí)體系（感知-規(guī)劃-行動(dòng)-評(píng)估）的關(guān)系，建立記憶“圖式”，完成意義的建構(gòu)，形成新的知識(shí)體系。

三、樹(shù)立以學(xué)生綜合能力與知識(shí)體系提升為核心的教學(xué)目標(biāo)

智能規(guī)劃課程教學(xué)以人工智能基礎(chǔ)理論為先導(dǎo)課程，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，樹(shù)立以學(xué)生綜合能力與知識(shí)體系提升為核心的教學(xué)目標(biāo)，圍繞智能規(guī)劃理論與實(shí)踐，組織課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)課程框架，充分利用信息技術(shù)和當(dāng)前熱門的智能規(guī)劃案例，設(shè)計(jì)課程教學(xué)策略，進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐與探索。在學(xué)生能力培養(yǎng)上，一是注重問(wèn)題導(dǎo)向，以實(shí)踐中的智能規(guī)劃問(wèn)題構(gòu)建學(xué)習(xí)情境，串聯(lián)理論教學(xué)，建立動(dòng)手實(shí)踐項(xiàng)目；二是注重學(xué)習(xí)協(xié)作，學(xué)習(xí)小組成員圍繞問(wèn)題和實(shí)踐項(xiàng)目相互協(xié)作，互相促進(jìn)，共同理解規(guī)劃方法并加以實(shí)踐應(yīng)用；三是注重知識(shí)體系，將智能規(guī)劃放到整個(gè)智能系統(tǒng)的應(yīng)用背景，從感知、規(guī)劃、執(zhí)行、評(píng)估來(lái)構(gòu)建大的情境，引導(dǎo)學(xué)生由點(diǎn)及面、觸類旁通地建立新學(xué)知識(shí)與已有知識(shí)之間的聯(lián)系，形成網(wǎng)絡(luò)化的記憶“圖式”；四是注重意義構(gòu)建，通過(guò)系統(tǒng)的理論、豐富的應(yīng)用、生動(dòng)的學(xué)習(xí)情境，充分激發(fā)學(xué)生的興趣和熱情，主動(dòng)完成意義構(gòu)建。

四、理論與實(shí)踐并重組織智能規(guī)劃課程教學(xué)內(nèi)容

智能規(guī)劃課程教學(xué)內(nèi)容包括理論與實(shí)踐兩大部分，理論上，以人工智能課程中的智能體、搜索、約束滿足技術(shù)、規(guī)劃等知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)經(jīng)典規(guī)劃、類經(jīng)典規(guī)劃、啟發(fā)式信息、控制規(guī)則與分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、時(shí)間和資源約束規(guī)劃、不確定規(guī)劃等知識(shí)點(diǎn)[3]；實(shí)踐上，每一類技術(shù)都結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用問(wèn)題，開(kāi)展案例教學(xué)、研討、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，比如機(jī)器人、宇宙飛船與空間站、無(wú)人系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、災(zāi)難救援行動(dòng)、制造過(guò)程、橋牌游戲等規(guī)劃問(wèn)題。智能規(guī)劃課程的知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

五、建構(gòu)主義指導(dǎo)下的智能規(guī)劃課程教學(xué)環(huán)節(jié)

建構(gòu)主義指導(dǎo)下的教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)教師運(yùn)用各種手段激發(fā)學(xué)生的興趣和主動(dòng)性，創(chuàng)設(shè)生動(dòng)、有效的學(xué)習(xí)情境，組織協(xié)作學(xué)習(xí)，開(kāi)展研討與交流，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，教員解答疑惑與合理指導(dǎo)，幫助學(xué)生建構(gòu)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義。目前比較常用的基于建構(gòu)主義設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)與方法主要有：框架式（Scaffolding Instruction）、錨定式（Anchored Instruction）、隨機(jī)導(dǎo)入式（Random Access Instruction）[1，4]。結(jié)合智能規(guī)劃課程的內(nèi)容與特點(diǎn)，這里主要采取錨定式來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，包括以下步驟：

（1）創(chuàng)設(shè)規(guī)劃情境：從實(shí)踐中給出案例，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，逐步引導(dǎo)學(xué)生以問(wèn)題為向?qū)?、以任?wù)為中心創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境。

（2）確定規(guī)劃問(wèn)題：錨定式就是以問(wèn)題為“錨”，拋出問(wèn)題，始終以問(wèn)題求解的線索啟發(fā)學(xué)生思考探索。

（3）智能規(guī)劃知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)：在給定的規(guī)劃情境中，學(xué)生針對(duì)上一環(huán)節(jié)所“錨定”的問(wèn)題，學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，教師進(jìn)行要點(diǎn)的講授，提供豐富的學(xué)習(xí)資料，并給予指導(dǎo)幫助。

（4）協(xié)作學(xué)習(xí)與項(xiàng)目實(shí)踐：通過(guò)研討學(xué)習(xí)、頭腦風(fēng)暴、交流分享，不斷加深對(duì)規(guī)劃問(wèn)題的理解與認(rèn)識(shí)，形成規(guī)劃問(wèn)題解決的思維；并且在實(shí)踐上，組成項(xiàng)目小組，分工協(xié)作開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)程序，解決實(shí)際問(wèn)題。

（5）意義建構(gòu)：引導(dǎo)學(xué)生建立知識(shí)體系，強(qiáng)化形成記憶“圖式”，從理論與實(shí)踐上達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，完成意義建構(gòu)。

（6）效果評(píng)價(jià)：注重過(guò)程評(píng)價(jià)，觀察學(xué)生在上述各個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)與收獲，并在過(guò)程中及時(shí)給予評(píng)價(jià)和指導(dǎo)，幫助學(xué)生不斷地提升學(xué)習(xí)效果?？己说男问蕉鄻踊?，包括筆試、實(shí)踐項(xiàng)目、研討交流、總結(jié)報(bào)告等。

以分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的教學(xué)為例，首先創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，給出明確的問(wèn)題與任務(wù)，比如選取國(guó)際規(guī)劃大賽中的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試問(wèn)題——機(jī)器人漫游Rovers問(wèn)題，Rovers描述了一個(gè)探索外太空環(huán)境的多機(jī)器人系統(tǒng)，需要執(zhí)行土壤取樣、拍照和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。問(wèn)題規(guī)模為5個(gè)Rover，30個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)，8臺(tái)攝影機(jī)，4個(gè)目標(biāo)?！安捎梅謱尤蝿?wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法，規(guī)劃出Rovers漫游的行動(dòng)計(jì)劃，完成全部任務(wù)并優(yōu)化效率”。這個(gè)生動(dòng)的例子不僅極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣和主動(dòng)性，而且還可以作為貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)的案例，從建模分析、知識(shí)點(diǎn)講解、研討、到算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。在該學(xué)習(xí)情境中，問(wèn)題分析與解決的思路，與知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)的脈絡(luò)相一致，隨著知識(shí)脈絡(luò)的推進(jìn)而逐步講解問(wèn)題解決的線索。兩者緊密結(jié)合，相輔相成，緊緊抓住學(xué)生的思考方向，逐步形成智能規(guī)劃思維方式，在解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的同時(shí)完成知識(shí)方法學(xué)習(xí)。同時(shí)在學(xué)習(xí)過(guò)程中組建協(xié)作學(xué)習(xí)與實(shí)踐小組，集體討論，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，激發(fā)靈感，相互協(xié)作，圍繞同一個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分工，比如定義領(lǐng)域知識(shí)、開(kāi)發(fā)模型、設(shè)計(jì)算法、編程實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等等，最終給出問(wèn)題建模、算法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了Rovers漫游的行動(dòng)計(jì)劃。

智能規(guī)劃課程教學(xué)目前仍是智能技術(shù)人才培養(yǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對(duì)智能規(guī)劃課程教學(xué)的研究，建立了基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)框架、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)環(huán)節(jié)，在教學(xué)實(shí)踐中不斷豐富智能規(guī)劃教學(xué)的內(nèi)涵與方式方法，為學(xué)生“弄潮”智能時(shí)代積蓄智慧和力量。

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作者簡(jiǎn)介：

劉鴻福（1983-），男，湖南衡陽(yáng)人，國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院講師，工學(xué)博士，主要從事人工智能、智能規(guī)劃教學(xué)與研究。

張萬(wàn)鵬，副研究員。

陳璟，教授。